用于快速模制出复合结构的方法和设备的制造方法
【技术领域】
[0001]该装置涉及用于快速模制复合零件的方法和设备，其中，零件形状从预浸溃的连续纤维加强材料切割以形成装料，在将装料预热到特定温度的同时，装料被保持在张力下/承受张力，并且将经预热的装料放置于成形和固化工具中，其中，在受热的工具半件闭合时向装料施加张力并且零件迅速固化。
【背景技术】
[0002]用于汽车工业的零件的具有成本效益的生产取决于高效可重复的制造过程，这种过程递送大量品质零件。为了满足汽车市场的成本和品质要求，需要不断地创新/再发明制造技术。此外，全球汽车市场寻求“轻重量”材料和制造技术，这能允许质量/批量和重量减轻以改进燃料效率。复合物(纤维加强的材料)工业在供应主要用于较小体积车辆诸如雪佛兰克尔维特(Chevrolet Corvette)和道奇蜂蛇(Dodge Viper)的汽车零件方面具有长久的历史。然而，传统复合过程诸如片状模塑化合物/片状模塑成型料(SMC)和长纤维热塑性塑料(LFT)利用了不连续纤维，这显著地减轻了材料的强度和刚度。诸如树脂传递模塑(RTM)这样的过程能利用连续(干燥)纤维，但RTM过程在历史上未能支持由汽车OEM商所需求的品质和制造效率。在尝试快速循环RTM过程时，典型地存在长循环时间、高劳动力内容、和高废料和再加工成本。连续纤维材料提供可用于汽车工业的最高水平的轻重量级性能。尽管由于它们的轻重量益处而被航空航天工业广泛地采用，连续纤维材料在汽车工业中已实现很少的应用，这归因于缓慢并且劳动力密集的制造过程。为了使连续纤维技术的运用超越汽车工业利基市场容量(niche market volume),并且满足汽车工业的零件品质和循环效率要求，需要新颖的制造方法和机构。被热固性聚合物或某些情况下热塑性聚合物预浸溃的连续纤维加强件诸如玻璃、碳或其它加强件被称作预浸体/预浸料。为了实现所希望的强度和刚度，多个预浸层片常常堆叠在一起以形成“装料”。纤维被定向于零件在使用中和碰撞情况下将经历的结构负荷的方向上。一旦组装了装料，在搬运和随后用以产生最终零件的多个加工步骤期间维持纤维的适当对准和取向需要独特的并且创新性的材料和制造方案。
[0003]因此将会需要提供一种用于生产复合零件的方法和设备，在将装料递送到成形和固化工具之前，其将会能够将装料的层片和纤维维持在相对于彼此的适当取向和彼此对准。
[0004]还将会需要利用一种用于生产复合零件的方法和设备，其将会在装料放置于成形和固化工具内并且模具半件被闭合到装料上之后能使装料的层片和纤维维持在适当取向。
[0005]还将会需要运用一种用于生产热固性复合零件的方法和设备，其将会缩短在成形和固化工具的一部分中固化所述树脂所需的循环时间。
【附图说明】
[0006]图1A和图1B为用于制造复合零件的自动化设施的平面图。
[0007]图2A和图2B为图1A和图1B的自动化设施的侧视图。
[0008]图3示出了从复合材料的连续织物切割的材料层片，其具有在第一方向上伸展的纤维。
[0009]图4示出了从复合材料的连续织物切割的材料层片，其具有在第二方向上伸展的纤维。
[0010]图5示出了使用热固性树脂来用于制造复合零件的过程的步骤。
[0011]图6示出了使用热固性树脂来用于制造复合零件的过程的步骤。
【具体实施方式】
[0012](多个)纤维加强件被预浸溃了热固性树脂或热塑性树脂以形成预浸材料。预浸体可以包括加强纤维诸如在复合结构中通常使用的玻璃、碳或其它纤维，或者其组合，如本领域技术人员已知的那样。预浸体也可被玄武岩、天然纤维或其它纤维加强。树脂可以包括单种树脂，其可以是乙烯酯的热固性树脂。热固性树脂诸如乙烯酯提供以下优点:树脂在室温呈固态，树脂具有十个月的保质期/贮藏寿命；并且树脂在模具中具有快速固化时间。在大约300 °F固化或聚合的热固性乙烯酯树脂能允许快速循环效率，类似于热塑性聚合物/过程。预浸材料可以缠绕成卷以用于在室温储存，并且随后在制造过程中搬运。
[0013]如在图1A、图1B、图2A和图2B所示，复合零件的自动化生产线总体上由附图标记10标注。预浸材料12可以从卷13作为宽产品(broadgood)递送到切割工位15，其中，预浸体可以被切割为网或接近网形件，其能组合以形成成品零件。切割工位15可以用于将来自卷13的复合材料12切割成为层片，层片具有类似于零件的最终形状的形状。切割工位15可以将复合材料12的若干层片切割为相同形状。如图3和图4所示，预浸材料12可以被切割成使得每个切割件17和18中的纤维在所希望的方向上定向以便向成品零件赋予所需的强度特征。切割工位15也可以用于在复合材料的层片12中做出选择性释放切割/安全切割(relief cut) 19以使得材料12能模制为最终形状而不会向层片中的纤维施加过量应力。可以由被考虑用于生产的零件几何形状的总“线状(string)”尺度来决定复合预浸材料12的宽度和厚度。
[0014]切割件17和18可以传递到预固结工位21直到组装了所希望数量的织物层或层片。层片可以被固结以形成装料22，并且个别装料22可以被传递到堆叠工位25以用于稍后加工。可以通过将个别层片堆叠在彼此顶部上来实现切割件17和18到装料22内的预固结，因为乙烯基树脂的粘性将允许个别层片17和18能粘附到彼此。也通过向层片的堆叠施加在1-300 psi范围的较轻压力来实现预固结。较宽范围的固结压力由针对具体应用以及最终使用要求所选择的具体聚合物的性质、配方和纤维体积分数来驱策。例如，低粘性环氧化物材料将具有在200-300 psi范围的较高固结压力，并且高粘性乙烯酯将具有在1-150 psi范围的较低固结压力。此外，高纤维负荷的复合物将具有在150-200 psi范围的较高固结压力，而较低纤维负荷的材料将具有在100-150 psi范围的较低固结压力。将切割件从切割工位15传递到预固结工位21、并且从预固结工位传递到堆叠工位25、并且到堆叠工位下游的其它工位，可以由可安装于轨28上的机器人27、或其它材料搬运装置来执行，或者传递可以手动执行，而不偏离本公开的精神。
[0015]可以使来自堆叠工位25的个别装料22到加载工位29，在加载工位29，它们被加载到盒31内。盒31包围着装料22并且通过随后的过程步骤而允许对装料进行安全自动化搬运和定位。盒31可以具有成组的离散夹持器32，离散夹持器32将装料22接合到两个相对端上，或者围绕所述装料22的整个周围，并且牵拉所述装料以将装料置于张力下。在将装料放置于加载工位29下游的成形和固化工具内之前，夹持器32可以用于保持装料22的层片和纤维16彼此处于适当取向和彼此对准。张力可以从O. I Ib至10 lb，并且更特别地从3-10 lb。在一实施例中，采用2 Ib的张力。由夹持器32施加的张力可以在装料22的整个表面上不同，取决于零件的最终形状。
[0016]然后，在张力盒31中的装料22可以传递到预热工位30，在预热工位30，装料22在预热炉35中被预热到在100 T至500 °F之间的预热温度，同时装料22被夹持器32保持在张力下。较宽的过程温度范围由所选聚合物和聚合物经历相变因此能允许下一过程步骤的高垂悬性或可成形性的温度范围来决定。例如，聚合物可以被调配为在140 °?的温度软化，或者相同聚合物可以被调配为在200 T软化。所形成的零件的性能规范将确定具体配方。通常，高玻璃转变温度材料将具有与具备较低玻璃转变温度的相同聚合物相比更高的过程温度，这归因于该系统的交联密度。预热炉35可以使用石英或辐射加热元件37，石英或辐射加热元件37可以个别地受到控制以在炉35内形成加热区以便加热装料的选定部段来控制垂悬性。
[0017]在材料被保持在张力盒31中的同时预热所述预浸体增加了装料22的可成形性和垂悬性从而使得复合材料将更易于符合下游成形和固化工具41中的模制零件的最终形状而不会干扰纤维16在个别层或层片17和18中的取向和放置。在模制之前预热所述装料22也将使热固性树脂从固态变为液态，因此在模制过程期间最小化了树脂的粘度对于分层复合材料的垂悬性的影响。在一实施例中，可以使用预热炉35将热固性预浸材料的温度升高到150T的预热温度。预热也缩短了在成形和固化工具41中的终端产品的固化时间，因为升高所述装料22温度以起始聚合阶段所需的时间将小于若将材料在周围温度引入到成形和固化工具41内的情况。预热温度并不足够高以起始乙烯酯树脂中聚合物的自由基起始/聚合阶段。在预热之后，在将装料传递到形成和固化工具41的同时，在盒31中的夹持器32可以继续保持所述装料22在张力下/承受张力。转位输送机34可以用于将带有装料